Närvarodetektor med IR och ultraljud

EXAMENSARBETE

2005:030 CIV

KENT DANIELSSON

Närvarodetektor

med IR och ultraljud

CIVILINGENJÖRSPROGRAMMET

Luleå tekniska universitet Institutionen för systemteknik

EISLAB • Embedded Internet Systems Laboratory

2005:030 CIV • ISSN: 1402 - 1617 • ISRN: LTU - EX - - 05/30 - - SE

S AMMANFATTNING

En n¨ arvarodetektor i form av en IR-detektor uppfyllde inte de ¨ onskade kraven och Eluw Electronic AB hade planer p˚ a att utveckla produkten vidare. IR-detektorn registrerar endast r¨ orelse p˚ a en person vilket inte alltid ¨ ar tillr¨ ackligt i f¨ oretagets anl¨ aggningar. En person som inte ¨ ar i r¨ orelse m˚ aste ocks˚ a detekteras f¨ or att uppr¨ atth˚ alla s¨ akerheten runt en specifik anl¨ aggning. F¨ oretaget efterfr˚ agade en n¨ arvarodetektor som klarade b˚ ada dessa detekteringar. Ett examensarbete p˚ a Lule˚ a tekniska universitet l¨ oste uppgiften och en v¨ al fungerande n¨ arvarodetektor med IR och ultraljud har utvecklats.

N¨ arvarodetektorn bygger p˚ a en kombination av den redan anv¨ anda IR tekniken och som komplement har en ultraljudmodul utvecklats f¨ or att detektera personer som inte

¨ ar i r¨ orelse. En mikrokontroller anv¨ ands som hj¨ arnan i n¨ arvarodetektorn, IR-modulen ¨ ar den dominerande av de tv˚ a modulerna och ultraljudmodulen aktiveras endast d˚ a ingen r¨ orelse f¨ orekommer.

St¨ orsta delen av arbetet har varit att utveckla ultraljudmodulen med den tillh¨ orande mikrokontrollern. Genom mjukvaran i mikrokontrollern genereras en sp¨ anningssekvens som s¨ ands ut i luften via en sensor, d˚ a som ultraljud. Ett avst˚ and ber¨ aknas sedan beroende p˚ a hur l˚ ang tid det tog innan ljudsekvensen n˚ adde tillbaka till n¨ arvarodetektorn.

N¨ arvarodetektorn kan egentligen beskrivas som en kombinerad r¨ orelsedetektor och avst˚ andsm¨ atare. Resultatet av examensarbetet ¨ ar en prototyp som uppfyller de fr˚ an b¨ orjan st¨ allda kraven.

ii

A BSTRACT

A person detector formed as an IR-detector did not fulfil the demands and Eluw Elec- tronic AB wished to develop the detector to please their needs. The IR-detector only detects persons who are in movement and that are not always enough in their construc- tions. People that are not moving need also to be detected to keep the security in the area of the construction. Eluw Electronic AB asked for a person detector who was able to detect booth moving and not moving persons. A master’s thesis at Lule˚ a University of technology solved the commission and a well working person detector with IR and ultrasound have been developed.

The person detector is a combination of the already known IR-technique and as a complement an ultrasonic module has been developed. The ultrasonic module takes care of detecting persons that is not moving. A microcontroller works as the brain in the person detector, the IR-module is the dominant of the two modules and the ultrasonic module is only activated when no movement is detected.

The main part of the thesis was to develop the ultrasonic module with the belonging microcontroller. In the microcontroller the software are written to generate a voltage square wave sequence which is sent out in the air through a transducer, at that time as ultrasound. The distance to the nearest object is calculated from the time which passed between the sent and the reflected ultrasonic sequence.

The person detector could be described as a combined movement detector and a distance meter. The result of the master’s thesis is a prototype that fulfils the demands stated in the beginning.

iii

F ¨ ORORD

Studier till civilingenj¨ or i ¨ amnet elektroteknik med avslutning elektroniksystem ¨ ar i och med detta examensarbete fullf¨ oljda. Under studierna har jag utvecklats som person och jag har tr¨ affat m˚ anga nya v¨ anner. Studierna har inte alltid varit l¨ atta men jag har l¨ art mig massor om den moderna tekniken och dess m¨ ojligheter. Den kunskap jag erh˚ allit har varit till stor hj¨ alp i detta avslutande examensarbete. Examensarbetet f˚ ar borga f¨ or att jag har f¨ orm˚ agan att l¨ ara nya saker och att d¨ arefter realisera dem.

Examensarbetet ¨ ar utf¨ ort p˚ a Eluw Electronic AB i Lule˚ a. Jag vill tacka samtliga p˚ a f¨ oretaget, dels f¨ or deras hj¨ alp och r˚ ad men framf¨ orallt f¨ or deras positiva attityd. Speciellt tack till min handledare Magnus Johansson.

Stort tack ocks˚ a till Kalevi Hyyppe¨ a, mina studiekamrater H˚ akan Fredriksson och Peter Engstr¨ om och inte minst till min examinator Johan Carlson.

Vill ¨ aven tacka HELA min familj som st¨ allt upp n¨ ar jag har beh¨ ovt det och avslutar med orden:

Tiderna f¨ or¨ andras och vi med dom.

iv

I NNEH ALL ˚

Kapitel 1: Inledning 2

1.1 Syfte . . . . 2

1.2 M˚ al . . . . 3

1.3 Grov beskrivning av n¨ arvarodetektorn . . . . 4

Kapitel 2: Bakgrund 6 2.1 Alternativ till ultraljud . . . . 7

2.2 Vad ¨ ar ultraljud? . . . . 8

Kapitel 3: Utveckling av h˚ ardvara 12 3.1 Ultraljudmodul . . . . 13

3.2 IR-modul . . . . 18

3.3 Mikrokontroller . . . . 18

3.4 Ledningsdragning . . . . 20

3.5 Komplett n¨ arvarodetektor . . . . 20

Kapitel 4: Utveckling av mjukvara 21 4.1 Ultraljudmodul . . . . 22

4.2 IR-modul . . . . 24

4.3 Komplett n¨ arvarodetektor . . . . 25

Kapitel 5: Utveckling av m¨ onsterkort 26 5.1 Kretsschema med Orcad Capture . . . . 26

5.2 Simulering med Orcad PSpice . . . . 27

5.3 M¨ onsterkortutveckling med Orcad Layout . . . . 32

5.4 Fabrikstillverkat m¨ onsterkort . . . . 32

Kapitel 6: Resultat 34 6.1 Resultat . . . . 34

6.2 Framtida utveckling . . . . 35

Kapitel 7: Slutsatser 38

Bilaga A:Kravspecifikation 40

Bilaga B:Ber¨ akning av komponentv¨ arden, filter i mottagare 41

Bilaga C:F¨ orst¨ arkare, mottagare 43

Bilaga D:SchmittTrigger, mottagare 44

Bilaga E:Komplett kretsschema, n¨ arvarodetektor 45

Bilaga F:Ritning, n¨ arvarodetektor 46

K APITEL 1 Inledning

P˚ a uppdrag av och i samarbete med Eluw Electronic AB i Lule˚ a har en n¨ arvarodetektor utvecklats. N¨ arvarodetektorn ¨ ar uppbyggd p˚ a en kombination av tv˚ a olika detektion- smetoder, IR och ultraljud. Eluw Electronic ¨ ar v¨ al etablerat inom sitt omr˚ ade som i huvudsak best˚ ar av att tillverka och s¨ alja kompletta styrningar f¨ or olika typer av luft- fl¨ odesregleringar. Kundkretsen utg¨ ors till st¨ orsta delen av industrier, laboratorier och skolor.

N¨ arvarodetektorn ¨ ar t¨ ankt att ers¨ atta en ren IR-detektor som anv¨ ands f¨ or att detektera om det finns n˚ agon person framf¨ or ett dragsk˚ ap i t.ex. ett laboratorium. Utvecklingen av n¨ arvarodetektorn genomf¨ ordes som ett examensarbete p˚ a Lule˚ a tekniska universitet.

1.1 Syfte

N¨ arvarodetektorn kommer att anv¨ andas i huvudsak f¨ or att detektera en person framf¨ or ett dragsk˚ ap. I en dragsk˚ apsanl¨ aggning kan luftfl¨ odet regleras i tv˚ a olika l¨ agen, normall¨ age respektive ekonomil¨ age, beroende p˚ a om n¨ arvarodetektorn registrerar n˚ agon person eller inte. Idag anv¨ ander sig Eluw Electronic AB av en IR-detektor f¨ or att detektera n¨ arvaron av en person. Nackdelen med denna detektor ¨ ar att om personen sitter eller st˚ ar stilla under en l¨ angre period detekteras inte personen. Detta medf¨ or i sin tur att anl¨ aggningen g˚ ar ner i ekonomil¨ age vilket under inga omst¨ andigheter f˚ ar ske n¨ ar n˚ agon befinner sig framf¨ or anl¨ aggningen.

St¨ orsta anledningen till att ekonomil¨ aget beh¨ ovs ¨ ar att inte uppv¨ armd luft i on¨ odan ven-

2

1.2. M˚ al 3 tileras bort. Normall¨ age f¨ or luftfl¨ odesregleringen medf¨ or en luftfl¨ odeshasighet p˚ a 0.5 m/s, i ekonomil¨ age ¨ ar luftfl¨ odeshastigheten 0.3 m/s. Det kan tyckas ha liten betydelse men t¨ ank dig ett laboratorium med ett 50-tal dragsk˚ apsanl¨ aggningar, d¨ ar blir det ett enormt energisl¨ oseri utan detta ekonomil¨ age. Vid sidan om energibesparingen ¨ ar ocks˚ a perso- nens s¨ akerhet ett viktigt sk¨ al till en korrekt n¨ arvarodetektion och den f¨ oljande luft- fl¨ odesregleringen. Om ekonomil¨ age intr¨ ader n¨ ar en person befinner sig framf¨ or dragsk˚ apet kan i v¨ arsta fall utsl¨ app fl¨ oda bakv¨ agen och medf¨ ora fara f¨ or personen.

Den kombinerade n¨ arvarodetektorn best˚ ar av den tidigare anv¨ anda IR-detektorn och en ultraljudmodul parallellkopplade till en mikrokontroller. N¨ arvaro av en person detek- teras i f¨ orsta hand genom IR-modulen som detekterar eventuell r¨ orelse inom avk¨ annings- omr˚ adet. Om ingen r¨ orelse detekteras aktiveras ultraljudmodulen och omr˚ adet s¨ oks av p˚ a nytt. Ultraljudmodulen m¨ ater d˚ a avst˚ andet till n¨ armaste objekt inom avk¨ annings- omr˚ adet. Anl¨ aggningens luftfl¨ odeshastighet regleras sedan beroende p˚ a avst˚ andet till objektet i f¨ orh˚ allande till ett fastst¨ allt v¨ arde och eventuellt andra anl¨ aggningsspecifika parametrar.

1.2 M ˚al

M˚ als¨ attningen med examensarbetet ¨ ar att utveckla en prototyp av en kombinerad n¨ arvaro- detektor som uppfyller den givna kravspecifikationen, se bilaga A. I prototyputvecklingen ing˚ ar i stora drag konstruktion av h˚ ardvara till hela n¨ arvarodetektorn, mjukvaruutveck- ling f¨ or att kontrollera de tv˚ a modulerna i detektorn samt en str¨ avan efter att n˚ a den angivna prisniv˚ an p˚ a den f¨ ardiga produkten. Den kombinerade n¨ arvarodetektorn skall vid examensarbetets avslutning kunna ers¨ atta den idag anv¨ anda IR-detektorn.

1.2.1 N ¨arvarodetektorns prisniv ˚a

Ett viktigt delm˚ al i utvecklingsarbetet ¨ ar att n˚ a den i kravspecifikationen (bilaga A) angivna produktionskostnadsniv˚ an p˚ a den f¨ ardiga n¨ arvarodetektorn. Enligt specifikatio- nen f˚ ar produktionskostnaden inte ¨ overstiga 280 kr p˚ a den f¨ ardiga produkten, i pro- duktionskostanden ing˚ ar ink¨ op och montering av all h˚ ardvara utom detektorns kapsel.

M˚ als¨ attningen att uppfylla detta krav anses n¨ astan lika viktigt som att n¨ arvarodetektorn

skall fungera enligt ¨ onskem˚ al. Om produktionskostnaden blir f¨ or h¨ og finns inga vinst-

marginaler och Eluw Electronic AB kan inte s¨ alja produkten. Vikten av att k¨ anna till

den relativt sett l˚ aga produktionskostnaden redan fr˚ an b¨ orjan ¨ ar ov¨ arderlig.

1.2.2 Framtida visioner

Om ultraljudmodulen fungerar tillfredst¨ allande kommer Eluw Electronic AB att un- ders¨ oka m¨ ojligheterna med att m¨ ata luftfl¨ odeshastigheten med ultraljud. Ett mycket intressant men sv˚ arl¨ ost uppdrag. Detta ¨ ar dock ett helt frist˚ aende projekt och en framti- da vision.

1.3 Grov beskrivning av n ¨arvarodetektorn

Den kombinerade n¨ arvarodetektorn kan, f¨ or enkelhetens skull, teoretiskt delas upp i tre moduler, mikrokontroller-, IR- och ultraljudmodul. Modulerna beskrivs var f¨ or sig och tillsammans som en komplett n¨ arvarodetektor i denna rapport. En grovskiss p˚ a de tre modulerna tillsammans visas i figur 1.1.

IR-modulen detekterar kontinuerligt eventuella r¨ orelser i avk¨ anningsomr˚ adet. Ultraljud- modulen aktiveras endast d˚ a ingen r¨ orelse detekterats av IR-modulen. B˚ ada modulerna

¨ ar kopplade till mikrokontrollern som tar emot respektive moduls signal. Signalerna be-

handlas i mikrokontrollern som i sin tur s¨ ander en signal till en centralt placerad styren-

het. Signalen, i form av en pulsviddsmodulerad sp¨ anning, ¨ ar proportionell mot avst˚ andet

uppm¨ att med ultraljudmodulen. Avst˚ andet vid ultraljudsdetektering kan variera mellan

0.50 m och 4.00 m och motsvaras d˚ a av sp¨ anningsomr˚ adet 0.50–4.00 V. Signalen ¨ ar vid

r¨ orelsedetektering logiskt h¨ og (+5 V) annars l˚ ag (0 V). Tre r¨ orelsedetekteringar inom

en sekund m˚ aste ske innan n¨ arvarodetektorn s¨ ander r¨ orelse signal till styrenheten. En

f¨ ordr¨ ojning p˚ a 2 s sedan sista r¨ orelsedetekteringen ¨ ar inlagd f¨ or att slippa snabba on¨ odiga

eller felaktiga omslag i styrenheten. Styrenheten reglerar i sin tur luftfl¨ odeshastigheten i

anl¨ aggningen, beroende p˚ a vad signalen fr˚ an n¨ arvarodetektorn best˚ ar av.

Figur 1.1: Grovskiss n¨ arvarodetektor

K APITEL 2 Bakgrund

Eluw Electronic AB har behov av en n¨ arvarodetektor som kan detektera en person i anslutning till en anl¨ aggning, t.ex. ett dragsk˚ ap i ett laboratorium. Detektorn skall kunna detektera om personen ¨ ar aktiv, i r¨ orelse, eller passiv, stillasittande eller stil- last˚ aende, inom det aktuella avk¨ anningsomr˚ adet. Om n˚ agon person befinner sig inom avk¨ anningsomr˚ adet skall anl¨ aggningen arbeta i normall¨ age med en luftfl¨ odeshastighet p˚ a 0.5 m/s. I annat fall skall anl¨ aggningen arbeta i ekonomil¨ age och en luftfl¨ odeshastighet p˚ a 0.3 m/s intas. Skillnaden i luftfl¨ odeshastighet mellan de tv˚ a l¨ agena ger stora en- ergibesparingar d˚ a mindre m¨ angd uppv¨ armd luft ventileras ut i ekonomil¨ age, det l¨ age som till st¨ orsta delen r˚ ader i en anl¨ aggning.

Idag anv¨ ands IR-detektorer som enbart registrerar r¨ orelse inom anl¨ aggningens avk¨ annings- omr˚ ade. Det f¨ orekommer dock att en person sitter stilla framf¨ or en dragsk˚ apsanl¨ aggning med armarna inne i dragsk˚ apet vilket medf¨ or att IR-detektorn inte detekterar n˚ agon r¨ orelse. Anl¨ aggningen g˚ ar d˚ a felaktigt ner i ekonomil¨ age vilket kan medf¨ ora en fara f¨ or personen, h¨ alsov˚ adliga utsl¨ app kan i v¨ arsta fall fl¨ oda bakv¨ agen ut ur dragsk˚ apet. H¨ ar kommer den kombinerade n¨ arvarodetektorn att l¨ osa problemet genom att ultraljudmod- ulen detekterar en passiv person som befinner sig inom avk¨ anningsomr˚ adet. Om IR- modulen inte detekterar n˚ agon r¨ orelse ¨ overl˚ ats detekteringen till ultraljudmodulen f¨ or att s¨ akerst¨ alla om n˚ agon (passivt) befinner sig i avk¨ anningsomr˚ adet.

Den kombinerade n¨ arvarodetektorn best˚ ar av den redan utvecklade IR-modulen och som komplement skall en ultrajudmodul utvecklas. De b˚ ada modulerna kommer att detektera parallellt med varandra s˚ a att om ingen r¨ orelse detekteras inom avk¨ anningsomr˚ adet skall ist¨ allet ultraljudmodulen detektera avst˚ andet till n¨ armaste objekt. Med detekteringen som grund utf¨ ors sedan en optimal anl¨ aggningsreglering, utan risker och med minimalt energisl¨ oseri.

6

2.1. Alternativ till ultraljud 7 Rent teoretiskt skulle man kunna ta bort IR-modulen om ultraljuddetekteringen fungerar tillfredst¨ allande. En teori som kommer att diskuteras efter en tids anv¨ andning av den kombinerade n¨ arvarodetektorn.

2.1 Alternativ till ultraljud

Vid examensarbetets b¨ orjan unders¨ oktes olika alternativ f¨ or den passiva n¨ arvarodetek- teringen. Eluw Electronic AB f¨ oreslog att ultraljud, i kombination med IR-detektorn, skulle anv¨ andas i n¨ arvarodetektorn. Andra alternativ diskuterades flitigt, detta f¨ or att om m¨ ojligt f¨ ors¨ akra sig mot att inte beh¨ ova ¨ andra uppl¨ agg efter ett antal veckor. De- tektering med laser, v¨ armekamera, tryckplatta i golvet och RF-tag p˚ a personen var de alternativ som diskuterades. Alla dessa alternativ f¨ oll dock bort av olika anledningar, en kort sammanfattning ses i tabell 1, och kvar fanns en ¨ overtygelse om att ultraljud skulle fungera tillfredst¨ allande.

Inga stora anstr¨ angningar gjordes vid denna alternativ diskussion. Alla inblandade i examensarbetet fick tycka till om de olika alternativen och det resulterade den slutliga tabellen.

Tabell 1: Alternativ f¨ or passiv detektering

Metod F¨ ordel Nackdel

Laser IR-detektor beh¨ ovs ej Installation

(avst˚ and) Reflektion mot mjuka mtrl.

Laser IR-detektor beh¨ ovs ej Installation

(brytande) Detekterar alla f¨ orem˚ al

V¨ armekamera IR-detektor beh¨ ovs ej Pris Reagerar bara p˚ a v¨ arme

Tryckplatta IR-detektor beh¨ ovs ej Pris

Enkel funktion Tung utrustning = detektion Installation

RF-tag IR-detektor beh¨ ovs ej S¨ akerst¨ alla anv¨ andning

Valfri placering mottagare Begr¨ ansa avk¨ anningsomr˚ adet

2.2. Vad ¨ ar ultraljud? 8

2.2 Vad ¨ar ultraljud?

Ljud kan delas upp i fyra olika omr˚ aden, h¨ orbart ljud, infraljud, ultraljud och hyperljud.

De fyra omr˚ adena definieras av tydliga gr¨ anser i frekvensen. Frekvenser under 20 Hz tillh¨ or infraljud och frekvenser ¨ over 1 GHz kallas hyperljud. D¨ aremellan finns h¨ orbart ljud som enligt definitionen ligger mellan 20 Hz och 20 kHz, h¨ orbart ljud ¨ ar det omr˚ ade vi m¨ anniskor kan uppfatta med h¨ orseln. Gr¨ anserna f¨ or h¨ orbart ljud varierar dock mellan olika m¨ anniskor och f¨ or¨ andras ocks˚ a i regel d˚ a m¨ anniskan ˚ aldras. Det omr˚ ade som ˚ aterst˚ ar

¨ ar d˚ a det f¨ or examensarbetet intressanta ultraljudomr˚ adet och definieras till 20 kHz–

1 GHz [1].

Resonansfrekvensen f¨ or detta arbete ¨ ar 40 kHz (f

) och tillh¨ or omr˚ adet ultraljud. En djupare utredning av denna frekvens utf¨ ors i kapitel 2.2.2.

2.2.1 Frekvens

Frekvensen anger hur m˚ anga sv¨ angningar per sekund en v˚ ag genomg˚ ar. Varje enskild sv¨ angning best˚ ar av en periodtid (T ), i sekunder, se figur 2.1.

Med en k¨ and periodtid kan frekvensen ber¨ aknas enligt ekvation (2.1) och erh˚ aller d˚ a enheten Hz (sv¨ angningar/s) [2].

f = 1

T (2.1)

Frekvens kan ocks˚ a anges i radianer/s och kallas d˚ a vinkelfrekvens. Denna vinkelfrekvens

¨ ar mycket ofta f¨ orekommande i dessa sammanhang och ber¨ aknas enligt ekvation (2.2).

ω = 2π · f. (2.2)

Enligt ekvation (2.3) kan en v˚ agl¨ angd (λ) vid en best¨ amd frekvens ber¨ aknas. Med v˚ agl¨ angd menas hur l˚ angt ljudv˚ agen hinner f¨ orflytta sig under en period. F¨ or att ber¨ akna v˚ agl¨ angden kr¨ avs att periodtiden (T ) och ljudhastigheten (c) ¨ ar k¨ and [2].

λ = c · T (2.3)

2.2. Vad ¨ ar ultraljud? 9

Time

0s 5us 10us 15us 20us 25us 30us 35us 40us 45us 50us

V(eko_pul) -1.0V

-0.5V 0V 0.5V 1.0V

Figur 2.1: Tv˚ a perioder vid 40 kHz, periodtid = 25 µs

Ljudhastigheten (c) varierar kraftigt beroende p˚ a utbredningsmediets specifika egen- skaper. T.ex. ¨ ar ljudhastigheten i vatten ca 1483 m/s medan den i luft ¨ ar ca 340 m/s vid en temperatur p˚ a 20

C. I luft p˚ averkar fuktigheten men framf¨ orallt temperaturen ljudhastigheten v¨ aldigt mycket. En

C i temperatur¨ andring kan approximeras till en f¨ or¨ andring av ljudhastigheten med 0.6 m/s [3], se kapitel 2.2.4 f¨ or en utf¨ orlig beskrivning av detta samband.

2.2.2 Ultraljud vid frekvensen 40 kHz

Ultraljud vid den best¨ amda frekvensen f

= 40 kHz medf¨ or enligt kapitel 2.2.1 att f¨ oljande ber¨ akningar kan g¨ oras:

f

= 1

T

⇒ (2.4)

T

= 1

f

= 1

40 · 10

= 25 µs (2.5)

2.2. Vad ¨ ar ultraljud? 10 frekvensen uttryckt i vinkelfrekvens blir d˚ a

ω

= 2π · f

= 2 · π · 40 · 10

= 251.3 krad/s (2.6)

och v˚ agl¨ angden vid en lufttemperatur p˚ a 20

C, vilket medf¨ or c

= 340 m/s

λ

= c

· T

= 340 · 25 · 10

= 8.5 mm. (2.7)

De ber¨ aknade v¨ ardena enligt ovan kommer i detta examensarbete att anv¨ andas vid olika ber¨ akningar, t.ex. vid l¨ angd p˚ a pulssekvensen, filterber¨ akning och inte minst vid den slutliga avst˚ andsber¨ akningen.

2.2.3 Ultraljudets utbredningshastighet

Ultraljudets utbredningshastighet varierar kraftigt mellan olika mediegrupper, v¨ atskor, gaser och homogena material ¨ ar en f¨ orekommande mediegruppsindelnig [2]. Det g˚ ar inte att ge n˚ agon bra generell definition av utbredningshastigheten i de olika mediegrupperna eller de olika medierna inom respektive grupp, skillnaderna ¨ ar mycket stora mellan olika v¨ atskor, gaser och homogena material.

2.2.4 Ultraljudets temperaturberoende i luft

Temperaturen i en lokal kan variera ett antal

C b˚ ade upp˚ at och ner˚ at beroende p˚ a det f¨ orh˚ allande som f¨ or tillf¨ allet r˚ ader. Med temperaturen f¨ or¨ andras ¨ aven ultraljudets utbredningshastighet i ett specifikt medium. I luft ¨ ar f¨ or¨ andringen n¨ astan linj¨ ar [3] och kan approximeras till en hastighets¨ okning p˚ a 0.6 m/s vid en temperatur¨ okning p˚ a en

C.

N¨ arvarodetektorn kommer att placeras till st¨ orsta delen i lokaler som inte varierar speciellt mycket i temperatur, t.ex. laboratorier och temperaturstabiliserade lokaler. Sm˚ a varia- tioner i temperatur och ett relativt kort m¨ atavst˚ and, upp till 4 m, medf¨ or ocks˚ a en marginell felber¨ akning av avst˚ andet beroende av temperaturf¨ or¨ andringen.

2.2.5 Exempel

Ett ber¨ akningsexempel f˚ ar illustrera temperaturavvikelsen, antag en lokal med normal

temperatur, T = 20

C och en tillh¨ orande utbredningshastighet, c

= 340m/s. Max-

imalt m¨ atavst˚ and ¨ ar l

= 4 m vilket medf¨ or en total str¨ acka, fram och tillbaka, p˚ a 2 · l

f¨ or ultraljudsekvensen.

Ovanst˚ aende ger flykttid, t

, vid korrekt temperatur:

t

= 2 · l

c

= 2 · 4

340 = 23.5 ms (2.8)

antag att ett f¨ onster ¨ oppnas och temperaturen sjunker och stabiliseras p˚ a 16

C. P˚ a sam- ma s¨ att som i ekvation (2.8) kan flyktiden, t

, ber¨ aknas f¨ or den nya l¨ agre temperaturen,

t

= 2 · l

c

= 2 · 4

337.6 = 23.7 ms (2.9)

Den ljudhastighet som anv¨ ands vid avst˚ andsber¨ akningen ¨ ar dock alltid konstant (i mikro- kontrollern) och satt till c

= 340 m/s vilket medf¨ or en felaktig avst˚ andsber¨ akning.

Enligt ekvation 2.9 ¨ ar den verkliga flykttiden, t

= 23.7 ms vid T = 16

C.

l

= (t

− t

) · c

= (23.7 · 10

− 23.5 · 10

) · 340 = 0.057 m (2.10)

Felber¨ akningen i exemplet ¨ ar maximalt, l

= 57 mm, och motsvarar 0.71% av det maximala m¨ atavst˚ andet. Temperaturf¨ or¨ andring p˚ a fyra grader anses som mycket stor och f¨ orekommer troligen inte. Exemplet illustrerar ett extremfall, alla verkliga och realistiska felber¨ akningar b¨ or understiga l

.

Ovanst˚ aende exempel bekr¨ aftar att temperaturens p˚ averkan av en avst˚ andsm¨ atning kan,

i detta examensarbete, f¨ orsummas.

K APITEL 3 Utveckling av h ˚ardvara

F¨ or att om m¨ ojligt undvika framtida misstag och missuppfattningar beg¨ ardes vid pro- jektets b¨ orjan en kravspecifikation p˚ a n¨ arvarodetektorn, specifikationen i sin helhet ses i bilaga A. De olika kraven i specifikationen har legat som grund vid utvecklingen av n¨ arvarodetektorn. N¨ amnas kan framf¨ orallt vikten av den specificerade maximala pris- niv˚ an p˚ a den f¨ ardiga produkten, ett krav som l¨ att hade ¨ overskridits om det inte funnits med fr˚ an arbetets b¨ orjan. I den maximala prisniv˚ an ing˚ ar ink¨ op av m¨ onsterkort, samtliga komponenter och montering av dessa. Kostnaden f¨ or utvecklingsarbetet ing˚ ar inte, ty den betraktas som en eng˚ angskostnad och kan i sammanhanget anses som ringa d˚ a projektet drivs som ett examensarbete. Kravspecifikationen har under hela arbetet funnits med som underlag f¨ or utvecklingen av n¨ arvarodetektorn.

IR-modulen ¨ ar en f¨ ardig produkt och fungerar helt enligt ¨ onskem˚ al. Endast tre anslut- ningar ¨ ar n¨ odv¨ andiga f¨ or IR-modulen, jord, sp¨ anning (5 V) och en signalanslutning.

Signalen kopplas till en port som initierats som ing˚ angen i mikrokontrollern f¨ or att via ett externt interrupt p˚ avisa detektion av r¨ orelse inom avk¨ anningsomr˚ adet.

Tyngdpunkten av h˚ ardvarans utveckling ¨ ar att konstruera ultraljudmodulen. Med en fungerande ultraljudsmodul kan hela n¨ arvarodetektorn kopplas samman till en enhet. Ul- traljudmodulen och mikrokontrollern ¨ ar starkt kopplade till varandra. Mikrokontrollern styr i princip allt som sker i ultraljudmodulen, ungef¨ ar 90 % av den mjukvara som utveck- lats anv¨ ands till att kontrollera ultraljudmodulen. IR-modulen d¨ aremot kan praktiskt anv¨ andas utan mikrokontrollern d˚ a den l¨ amnar en signal som direkt p˚ avisar detekterad r¨ orelse.

12

3.1. Ultraljudmodul 13

3.1 Ultraljudmodul

Med en maximal prisniv˚ a p˚ a 280 kr f¨ or den f¨ ardiga n¨ arvarodetektorn kan ultraljudsmod- ulen tilldelas en total kostnad p˚ a ungef¨ ar 100 kr. Detta ger inte utrymme f¨ or s˚ a my- cket annat ¨ an att f¨ ors¨ oka hitta standardkomponenter s˚ a l˚ angt det ¨ ar m¨ ojligt. N˚ agon egen utveckling av integrerade kretsar (ASIC) eller sensorer (s¨ andare/mottagare) ¨ ar inte m¨ ojlig inom ramen f¨ or detta examensarbete.

Ultraljudmodulen kan kort beskrivas som en kombinerad s¨ andare/mottagare av en ljud- sekvens. En gemensam sensor anv¨ ands vid s¨ andning respektive mottagning, resonans- frekvensen f¨ or sensorn ¨ ar 40 kHz. Resonansfrekvensen valdes p.g.a. det stora utbud av standardsensorer som finns p˚ a marknaden, m˚ anga tillverkare och m˚ anga typer av sensor- er.

I ultraljudmodulens s¨ andare f¨ orst¨ arks den i mikrokontrollern genererade sp¨ anningssekven- sen varefter den s¨ ands ut i luften via en sensor, d˚ a som en ultraljudsekvens. Samma sen- sor anv¨ ands sedan f¨ or att ta emot en eventuell reflekterad ljudsekvens. Den reflekterade sekvensen ¨ ar d˚ a starkt kopplad till den uts¨ anda sekvensen och har samma frekvens men inte samma l¨ angd. En reflekterad sekvens skall med best¨ amdhet kunna bindas till en uts¨ and sekvens. Av denna anledning har ett bandpassfilter med resonansfrekvens 40 kHz konstruerats som ing˚ angssteg till mottagaren. P˚ a s˚ a s¨ att kommer m˚ anga st¨ orningar och felaktiga frekvenser att filtreras bort redan i h˚ ardvaran.

3.1.1 S ¨andare ultraljudmodul

Effekten i den uts¨ anda ljudsekvensen har stor betydelse f¨ or hur mycket som reflekteras mot ett objekt. H¨ og s¨ andeffekt p˚ a sensorn medf¨ or m¨ ojlighet f¨ or ett l¨ angre detektion- savst˚ and och ¨ aven s¨ akrare detektering p˚ a kortare avst˚ and. Det optimala f¨ or ultraljud- modulen ¨ ar att s¨ andaren utnyttjar hela sp¨ anningen som finns tillg¨ angligt f¨ or att s¨ anda en ljudsekvens, f¨ orutsatt att sensorn t˚ al den sp¨ anningen. D˚ a det enligt kravspecifikationen framg˚ ar att endast en sp¨ anning p˚ a +20 V finns tillg¨ anglig beslutades att en H-brygga, figur 3.1, ska anv¨ andas f¨ or att s¨ anda ljudsekvensen. H-bryggan styrs med fyra separata portar (C0-C3) fr˚ an mikrokontrollern. Anledningen till att anv¨ anda separata portar ¨ ar att via mjukvaran ha m¨ ojlighet att styra enstaka transistorer i H-bryggan, denna m¨ ojlighet utnyttjas ocks˚ a och beskrivs i kapitel 4.1.1. Fyra NPN- och tv˚ a PNP-transistorer ¨ ar k¨ arnkomponenter i H-bryggan. Eftersom inga stora str¨ ommar kommer att flyta genom sensorn, som kan approximeras till en kondensator, anv¨ ands vanliga bipol¨ ara transistorer.

H-bryggan anv¨ ands ofta vid olika motorstyrningar, motorer kr¨ aver i regel h¨ oga str¨ ommar,

och d˚ a anv¨ ands med f¨ ordel FET-transistorer som klarar h¨ ogre effekter [4].

3.1. Ultraljudmodul 14

C2 C1

C3 C0

20V

0

0

0

0 Q4 BC847

Q4 BC847 R3

1k R3 1k R2 4.7k R2 4.7k

R8 10k R8 10k R9

680 R9 R7 680

10k R7 10k

R4 1k R4 1k

Q2 BC857 Q2

BC857 R5

4.7k R5 Q3 4.7k

BC857 Q3 BC857

R1 10k R1 10k

C1 0.1u C1 0.1u

1 2 Sensor Sensor

Q6 BC847

Q6 BC847 Q5

BC847 Q5

BC847 Q1

BC847 Q1

BC847

R6 10k R6 10k

Figur 3.1: Kretsschema s¨ andare (H-brygga).

H-bryggan drivs med en fyrkantssp¨ anning (0−5 V)och driver i sin tur sensorn med +20 V v¨ axelvis p˚ a de tv˚ a benen, se kapitel 5.2.1. Virtuellt kan det ses som ±20 V ¨ over sensorn och det ¨ ar det optimala f¨ orh˚ allande som kan erh˚ allas under de f¨ oruts¨ attningar som r˚ ader.

V

f¨ or sensorn ¨ ar i databladet ([5]) angivet till +20 V, vilket vid en duty cycle p˚ a 50%

tangeras under s¨ andsekvensen.

3.1. Ultraljudmodul 15

3.1.2 Mottagare ultraljudmodul

N¨ arvarodetektorn kommer att installeras i m˚ anga olika milj¨ oer d¨ ar st¨ orningsniv˚ an kan variera kraftigt fr˚ an milj¨ o till milj¨ o. Ultraljudmodulen skall detektera en person p˚ a ett avst˚ and mellan 0.50 m - 4.00 m (l

− l

) inomhus i alla f¨ orekommande milj¨ oer. En eventuell st¨ ornings storlek och utseende ¨ ar sv˚ ar, f¨ or att inte s¨ aga om¨ ojlig, att bed¨ oma i olika milj¨ oer. Ultraljudmodulen best˚ ar d¨ arf¨ or av ett generellt aktivt filter som filtrerar bort allt utom den i n¨ arvarodetektorn anv¨ anda resonansfrekvensen (40 kHz). En mer korrekt beskrivning ¨ ar att resonansfrekvensen f¨ orst¨ arks h¨ ogre ¨ an ¨ ovriga frekvenser. En mottagen reflektion filtreras f¨ orst genom det aktiva filtret och f¨ orst¨ arks d¨ arefter, via en inverterande f¨ orst¨ arkare, f¨ or att erh˚ alla tydliga omslagsniv˚ aer f¨ or en avslutande Schmit- trigger vippa.

En grundl¨ aggande komponent i mottagaren ¨ ar OP-f¨ orst¨ arkaren som valdes, OPA 340 tillverkad av Burr-Brown (datablad [6]). OP-f¨ orst¨ arkaren finns med fyra separata f¨ orst¨ ark- are i samma kapsel. En OP-f¨ orst¨ arkare till Schmittriggern, en till f¨ orst¨ arkaren och de tv˚ a sista till filtreringen.

I figur 3.1 ses ett motst˚ and (R9) kopplat parallellt med transistor Q6 detta motst˚ and har ingen egentlig betydelse f¨ or s¨ andningen. Motst˚ andet ¨ ar dock n¨ odv¨ andigt f¨ or att kun- na anv¨ anda sensorn i mottagningsl¨ age. Grundtanken var att via transistorn (Q6) jorda ner ett ben p˚ a sensorn. Om mikrokontrollern programmerades att h˚ alla transistorn bot- tnad under mottagningsl¨ age skulle detta fungera. Tyv¨ arr s˚ a gick det inte att p˚ a detta s¨ att jorda ner sensorbenet, impedansen i transistorn ¨ ar f¨ or h¨ og. Men med det relativt l˚ aga motst˚ andsv¨ ardet (680 Ω) parallellt med transistorn kunde den ¨ onskade funktionen uppn˚ as. Mots˚ andet ¨ ar d¨ arf¨ or ett m˚ aste f¨ or att mottagningen skall funera.

3.1.2.1 Filter

Ett fyr-poligt bandpassfilter med multipel ˚ aterkoppling och resonansfrekvens 40 kHz konstruerades f¨ or att filtrera bort eventuella st¨ orningar i mottagardelen. Med multi- pel ˚ aterkoppling minimeras komponenternas toleransspridning p˚ averkan av resonans- frekvensen f¨ or filtret. F¨ or att erh˚ alla den ¨ onskade resonansfrekvensen p˚ a filtret ¨ ar typvalet p˚ a komponenterna mycket viktigt, ju l¨ agre toleranser desto b¨ attre vid produktion av fil- tret [7].

Ett fyrpoligt bandpassfilter ans˚ ags l¨ ampligt och visade sig ocks˚ a fungera f¨ ortr¨ affligt. I

bilaga B ses kopplingsschemat och ber¨ akningarna f¨ or filtret. F¨ or att erh˚ alla r¨ att v¨ arden

p˚ a komponenterna utf¨ ordes ber¨ akningar enligt nedan och enligt bilaga B. Ett filter med

3.1. Ultraljudmodul 16 Butterworth karakteristik och de ur tabell ber¨ aknade ([8], [9] och [7]) Q v¨ ardena Q

= 0.54 och Q

= 1.31 konstruerades. Alla kondensatorer i filtret(C1 − C4) valdes till 1 nF, resistorernas anpassades d¨ arefter och v¨ ardena ses i kretsschemat.

I kapitel 5.2.2 beskrivs hur komponenternas toleransspridning p˚ averkar resonansfrekvensen f¨ or filtret.

En praktisk verifiering har ocks˚ a gjorts p˚ a filtret och karakt¨ aristiken i praktiken st¨ ammer mycket v¨ al ¨ overens med den ber¨ aknade och simulerade karakt¨ aristiken.

3.1.2.2 F ¨ orst ¨arkare

F¨ or att erh˚ alla bra och s¨ akra omslagsniv˚ aer till den avslutande Schmittrigger-vippan plac- erades en inverterande f¨ orst¨ arkare efter filtret. I bilaga C finns kretsschema och kompletta ber¨ akningar f¨ or f¨ orst¨ arkaren. F¨ orst¨ arkaren har en f¨ orst¨ arkning p˚ a 100 g˚ anger. Signalen inverteras i f¨ orst¨ arkaren men det har ingen avg¨ orande betydelse f¨ or mottagarens funktion.

3.1.2.3 Schmittrigger

Ett bra s¨ att att ta in en reflektion i mikrokontrollern ¨ ar att l˚ ata sp¨ anningsniv˚ an direkt efter mottagaren motsvara TTL-niv˚ a (0-5 V). En Schmittrigger som sl˚ ar mellan dessa niv˚ aer anv¨ ands d¨ arf¨ or som avslutande krets i mottagaren. P˚ a detta s¨ att kan reflektionen via en speciell ing˚ ang p˚ a mikrokontrollern anv¨ andas f¨ or att generera ett externt interrupt.

Mikrokontrollern kan i sin tur kontrollera hur ofta dessa interrupt uppst˚ ar och resonans- frekvensen p˚ a reflektionen kan best¨ ammas, se kapitel 4.1.2 f¨ or en n¨ armare f¨ orklaring om hur denna identifiering g˚ ar till. Schmittriggerns omslagsniv˚ aer ¨ ar ber¨ aknade enligt bilaga D, i bilagan finns ¨ aven kretsschemat f¨ or Schmittriggern.

3.1.3 Sensor ultraljudmodul

Vid examensarbetets b¨ orjan unders¨ oktes olika typer av sensorer. Ett stort utbud av sensorer f¨ or luft som utbredningsmedium finns idag p˚ a marknaden. Det stora flertalet av dessa sensorer har resonansfrekvensen 40 kHz. Resonansfrekvens har stor betydelse f¨ or hur en ljudv˚ ag reflekteras mot ett medium. En l˚ ag frekvens har l˚ ang v˚ agl¨ angd (λ, enligt ekvation (2.3)) och reflekteras d¨ arf¨ or s¨ amre mot ett medium ¨ an vad en h¨ og frekvens g¨ or.

Relativt sett ¨ ar 40 kHz en l˚ ag frekvens och kanske inte det optimala valet f¨ or att detektera

3.1. Ultraljudmodul 17 en person. St¨ orsta anledningen till frekvensvalet ¨ ar utbudet av sensorer och d¨ armed ocks˚ a den l˚ aga prisniv˚ an vilken enligt kravspecifikationen (bilaga A) m˚ aste h˚ allas nere.

M˚ anga fabrikat och typer av sensorer har under arbetets g˚ ang provats och f¨ orkastats.

Det finns sensorer som ¨ ar enbart s¨ andare eller mottagare och s˚ a finns det gemensamma sensorer som b˚ ade s¨ ander och tar emot en ljudv˚ ag. M˚ als¨ attningen var att en gemensam sensor skulle anv¨ andas i den f¨ ardiga produkten. En nackdel med dessa ¨ ar att de enligt specifikationen ¨ ar mindre k¨ ansliga f¨ or mottagning av en reflekterad signal ¨ an vad de sep- arata sensorerna ¨ ar. F¨ ordelarna uppv¨ ager dock detta bl.a. blir n¨ arvarodetektorn billigare att producera men framf¨ orallt mindre och smidigare i storlek.

T¨ ata sensorer provades ocks˚ a, en t¨ at sensor ¨ ar mycket t˚ alig mot yttre p˚ averkan som st¨ otar, damm och eventuella v¨ atskor. Tyv¨ arr visade det sig att med en t¨ at sensor minskade ¨ aven k¨ ansligheten f¨ or att ta emot en reflekterad signal.

Den sensor som uppm¨ ats till att vara mest l¨ amplig till n¨ arvarodetektorn ¨ ar en ¨ oppen modell med den kravspecificerade gemensam s¨ and- och mottagarfunktionen. Tillverkare

¨

ar NipponCeramics (datablad [5]).

3.1.4 Utbredningsbegr ¨ansning n ¨arvarodetektor

Enligt kravspecifikationen skall ultraljudets utbredningsomr˚ ade begr¨ ansas till 25

. En ren sensor som s¨ ander ultraljud har mycket bred, n¨ astan okontrollerad utbredningsrikt- ning. F¨ or att begr¨ ansa utbredningen av ljudet provades lite olika typer av munstycken.

Ett antal munstycken med olika utformning tillverkades och provades, det visade sig mycket sv˚ art att begr¨ ansa utbredningen av ultraljudet. En begr¨ ansning framf¨ or sensorn medf¨ or tyv¨ arr en del korsreflektioner vid s¨ andning och ger d¨ arf¨ or inte den ¨ onskade be- gr¨ ansningen. D¨ aremot erh˚ alls en mycket positiv sideffekt av ett munstycke i form av en klar f¨ orb¨ attring av reflektionsmottagningen. Munstycket medf¨ or att en st¨ orre m¨ angd ljud f˚ angas in och reflektionen blir d¨ arav l¨ attare att uppfatta. Ett munstycke liknande en liten trumpet tillverkades och fungerade mycket bra, framf¨ orallt vid mottagning.

Vid s¨ andning begr¨ ansades utbredningsomr˚ adet till ungef¨ ar 35

vilket skulle ha varit

25

enligt kravspecifikationen. Efter lite diskussion mellan parterna (examensarbetare-

uppdragsgivare) ans˚ ags detta tillfredst¨ allande och munstycket godtogs.

3.2. IR-modul 18

3.2 IR-modul

IR-modulen best˚ ar av en IR-sensor och en i sensorn inbyggd f¨ orst¨ arkare och compara- tor, NaPiOn tillverkad av NAiS. IR-modulen detekterar r¨ orelse genom att detektera eventuella temperaturskillnader, mellan objekt och omgivning, i avk¨ anningsomr˚ adet.

Vid r¨ orelse s¨ ander IR-modulen en 5 V signal till mikrokontrollern, signalen ligger h¨ og i 200 ms. Om ingen r¨ orelse f¨ orekommer s¨ ander modulen 0 V. Dessa signaler ¨ ar allt som beh¨ ovs f¨ or att p˚ avisa r¨ orelse i avk¨ anningsomr˚ adet, signalen passerar kort sagt rakt genom mikrokontrollern och prioriteras h¨ ogre ¨ an avst˚ andsm¨ atning med ultraljudmodulen. Via en sp¨ anningsf¨ oljare ¨ ar den sedan kopplad till styrenheten.

Ett motst˚ and mellan signalen och jordn¨ atet (pull down) ¨ ar n¨ odv¨ andigt f¨ or att stabil l˚ agniv˚ a ska erh˚ allas d˚ a ingen r¨ orelse f¨ orekommer. En avkopplingskondensator och pull down-motst˚ andet ¨ ar de enda externa komponenter som ¨ ar n¨ odv¨ andiga f¨ or korrekt funk- tion.

Ett litet misstag intr¨ affade vid m¨ onsterkortslayouten, n¨ amligen att motst˚ andet placerades mellan signalen och +5 V n¨ atet (pull up), r¨ att skulle ha varit mellan signal och jord (pull down). Anledningen till misstaget var att under hela examensarbetet anv¨ andes en IR- modul som kr¨ avde just den placeringen av motst˚ andet. N¨ ar sedan en ny typ av IR-modul anv¨ andes antogs, n˚ agot slarvigt, samma funktion och anslutning vilket tyv¨ arr inte var fallet.

3.3 Mikrokontroller

Eluw Electronic AB ¨ ar mycket kostnadsmedvetna och begr¨ ansar g¨ arna sin produktion med att s˚ a l˚ angt det ¨ ar m¨ ojligt anv¨ anda samma komponenter i sina produkter. F¨ oretaget specificerade d¨ arf¨ or att en AVR-mikrokontroller, ATmega8 tillverkad av Atmel, skulle om det var m¨ ojligt anv¨ andas i n¨ arvarodetektorn. ATmega8 ¨ ar en 8-bitars l˚ ageffekt mikrokon- troller baserad p˚ a AVR RISC-arkitektur [10].

Internminne p˚ a 1 kb, tre individuella timers, extern interrupt hantering och m¨ ojlighet

att ansluta en extern klockkristall p˚ a upp till 16 M Hz ¨ ar egenskaper som svarar f¨ or att

ATmega8 passar utm¨ arkt f¨ or att styra n¨ arvarodetektorn.

3.3. Mikrokontroller 19

3.3.1 Mikrokontrollerns komponenter

I bilaga E finns det kompletta kretsschemat f¨ or hur mikrokontrollern och dess tillh¨ orande komponenter konstruerats f¨ or att kontrollera de tv˚ a modulerna. Fyra av benen p˚ a PORTC anv¨ ands f¨ or att skicka ut, den i mikrokontrollern genererade, 40 kHz sp¨ anningssekvensen till ultraljudsmodulen. Sp¨ anningssekvensen f¨ orst¨ arks d¨ ar med hj¨ alp av H-bryggan och s¨ ands sedan ut genom sensorn.

F¨ or att kunna registrera en reflektion ansl¨ ots mottagardelen i ultraljudsmodulen till PIND2 som kan konfigureras som ing˚ ang f¨ or externt interrupt. P˚ a liknande s¨ att ansl¨ ots IR-modulen p˚ a PIND3 f¨ or att erh˚ alla samma m¨ ojlighet att registrera r¨ orelse med hj¨ alp av ett externt interrupt.

3.3.2 Matningssp ¨anning

Matningssp¨ anningen till n¨ arvarodetektorn best˚ ar av en +20 V grovsp¨ anning. F¨ or att driva mikrokontrollern m˚ aste sp¨ anningen regleras ned till +5 V enligt kretsschema i bilaga E. En sp¨ anningsregulator, LP2981, tillverkad av N ationalSemiconductor (datablad [11]) anv¨ ands. Sp¨ anningsregulatorn f˚ ar i sin tur ha en h¨ ogsta matningssp¨ anning p˚ a 16 V, en 12 V Zenerdiod har d¨ arf¨ or placerats i serie med sp¨ anningsregulatorn. Sp¨ anningsregulatorn f˚ a d˚ a en matningssp¨ anning p˚ a 8 V.

3.3.3 Klockkristall 4 M Hz

Vid examensarbetets b¨ orjan best¨ amdes att klockfrekvensen till mikrokontrollern skulle, om m¨ ojligt, vara 8 M Hz. N¨ ar hela mjukvaran var f¨ ardigutvecklad beslutades att f¨ ors¨ oka f˚ a ner klockfrekvensen till 4 M Hz, v¨ agen dit beskrivs i kapitel 4.1.1. Den st¨ orsta anledningen till klockfrekvens bytet var att Eluw Electronic i sina produkter anv¨ ander en 4 M Hz keramisk ressonator. F¨ or att undvika en komponent till i lager ville f¨ oretaget anv¨ anda denna redan lagerf¨ orda ressonator.

Ressonatorn ¨ ar en komponent med inbyggda kondensatorer tillverkad av M urata. De

interna kondensatorerna medf¨ or en l¨ agre totalkostnad f¨ or komponenterna och ressonatorn

kr¨ aver mindre utrymme p˚ a m¨ onsterkortet.

3.3.4 Styrsignal

En OP-f¨ orst¨ arkare konfigurerad som sp¨ anningsf¨ oljare ¨ ar via PINB1 p˚ a mikrokontrollern kopplad mot styrenheten. Sp¨ anningsf¨ oljaren beh¨ ovs f¨ or att ge styrsignalen, som beroende p˚ a detekteringen av IR- och ultraljudmodulen skickas ut p˚ a PINB1, m¨ ojlighet att or- ka driva andra enheter. Mikrokontrollerns utg˚ angar kan inte leverera mer ¨ an ett tiotal mA till en extern enhet. Sp¨ anningsf¨ oljaren f˚ ar matningssp¨ anningen direkt fr˚ an +20 V grovsp¨ anningen och kan s˚ aledes, vid behov, leverera betydligt h¨ ogre str¨ ommar ¨ an mikrokon- trollern.

3.4 Ledningsdragning

Vid M¨ onsterkortets design har stor vikt lagts p˚ a att optimera ledarl¨ angder, ledarplacering och komponent placering. Jordn¨ atet utg˚ ar fr˚ an en gemensam punkt och f¨ orgrenar sig sedan separat till respektive komponent, +5 V n¨ atet ¨ ar placerad enligt samma princip.

Grovsp¨ anningsn¨ atet (+20 V) ¨ ar placerat med tanke p˚ a att minimera riskerna f¨ or st¨ orning och p˚ averkan p˚ a andra komponenter. Sp¨ anningsf¨ oljarens OP-f¨ orst¨ arkare och H-bryggan med tillh¨ orande komponenter drivs b˚ ada med +20 V och ¨ ar d¨ arf¨ or placerade s˚ a n¨ ara plinten med grovsp¨ anningsmatningen som det ¨ ar m¨ ojligt.

3.5 Komplett n ¨arvarodetektor

Hela n¨ arvarodetektorn har utvecklats och det i detta kapitel redan beskrivna f˚ ar st˚ a f¨ or elektroniken. Vid arbetets b¨ orjan fanns ingen ritning p˚ a hur kapseln till n¨ arvarodetektorn skulle se ut, men under arbetets g˚ ang har det vuxit fram en prototypritning. I bilaga F ses ritningen, munstyckets utformning ¨ ar dock n˚ agot annorlunda i verkligheten.

H˚ allaren till n¨ arvarodetektorn ¨ ar gjord av pl˚ at som har klippts och bockats till f¨ or hand.

En gjutform (ocks˚ a den gjord f¨ or hand) har tillverkats och ett prototyp munstycke har

gjutigts i epoxiplast. Delarna har slipats, polerats och sedan lackerats, sedan monterades

elektroniken i h˚ allaren och n¨ arvarodetektorn var komplett, se figur 6.4.

K APITEL 4 Utveckling av mjukvara

En del av mjukvarans grundf¨ oruts¨ attningar var given i kravspecifikationen (bilaga A), t.ex. s˚ a skall r¨ orelsedetekteringen, med IR-modulen, ske kontinuerligt och ultraljudmod- ulen skall detektera avst˚ andet ˚ atta ggr/sekund vid avsaknad av r¨ orelse. Ultraljudmodulen skall allts˚ a inte aktiveras om r¨ orelse f¨ orekommer i avk¨ anningsomr˚ adet. Definitionen p˚ a utsignalens utseende fr˚ an mikrokontrollern till styrenheten var ocks˚ a specificerad. Vid r¨ orelse s¨ ands en konstant 5 V sp¨ anning till styrenheten medan det vid avst˚ andsm¨ atning s¨ ands en variabel sp¨ anning mellan 0.50 och 4.00 V beroende p˚ a avst˚ andet till detektion- sobjektet.

Omr˚ adet f¨ or avst˚ andsdetektering ¨ ar 0.50–4.00 m (l

–l

) vilket medf¨ or att en centime- ter motsvaras av sp¨ anningen 0.01 V. Om den pulsviddsmodulerade sp¨ anningen ansluts till en voltmeter visas avst˚ andet (i meter) i form av en sp¨ anning, t.ex. 2.16 V betyder 2.16 m.

En evig loop (while-loop) anv¨ ands f¨ or att kontrollera de tv˚ a modulernas respektive de- tekteringar. Kortfattat kan detta f¨ orlopp beskrivas som att programmet g˚ ar runt i en cirkel och kontrollerar om n˚ agot detekterats av respektive modul. En loop som aldrig termminerar f˚ ar i sammanhanget ses som kontinuerlig detektion ¨ aven om det inte ¨ ar riktigt sant. En detektion kan bli f¨ ordr¨ ojd ett antal µs beroende p˚ a hur l˚ ang loopen ¨ ar och vilken klockfrekvens som anv¨ ands f¨ or mikrokontrollern. En f¨ ordr¨ ojning i den stor- leksordningen ¨ ar obetydlig d˚ a en anl¨ aggning g˚ ar ner i ekonomil¨ age f¨ orst efter ett flertal sekunder eller till och med minuter efter att sista detekteringen erh˚ allits. Ett ¨ overgripande blockschema p˚ a n¨ arvarodetektorns mjukvara ses i figur 4.1

Mjukvaran till n¨ arvarodetektorn har utvecklats i gratiskompilatorn GNU-gcc, program- meringsspr˚ aket ¨ ar C. F¨ or att programmera mikrokontrollern anv¨ andes ett programmer-

21

4.1. Ultraljudmodul 22

T = 125 ms

UL_sänd = 1

UL_sänd = 1 T > 25 ms T = 2 ms

UL_reset UL_mottagar_läge

IR_detekt = 1

PWM_ut = 5 V

EVIG LOOP

Beräkna Avstånd

Beräkna medelvärde

PWM_ut= avstånd UL_interrupt = 3

Reset_toggle T = 1s

Figur 4.1: Blockschema n¨ arvarodetektor.

ingsgr¨ anssnitt som ansl¨ ots mellan parallellporten p˚ a en PC och SPI-anslutningen p˚ a mikrokontrollern. Flashprogrammeringen mellan mikrokontrollern och PC:n utf¨ ordes med programmet AVR-isp, ett program licensierat till Eluw Electronic AB.

4.1 Ultraljudmodul

Vid utebliven r¨ orelsedetektering aktiveras ultraljudsmodulen. Modulen g¨ or detekteringar

˚ atta ggr/s vilket betyder att varje detektering m˚ aste vara klar inom en periodtid p˚ a 125 ms. Under en period skall ultraljudmodulen s¨ anda en ljudsekvens och sedan ta emot en eventuell reflektion f¨ or att slutligen ber¨ akna avst˚ andet till objektet. Om n˚ agot objekt befinner sig inom avk¨ anningsomr˚ adet, varierbart upp till fyra meter fr˚ an n¨ arvarodetektorn, ber¨ aknas och s¨ ands ett medelv¨ arde av de ˚ atta senaste detektionerna till styrenheten.

Medelv¨ ardet j¨ amf¨ ors d¨ ar med ett annat p˚ a f¨ orhand best¨ amt v¨ arde och vid tillr¨ acklig

skillnad mellan dem ¨ ar en person detekterad. Luftfl¨ odet i anl¨ aggningen regleras d¨ arefter

4.1. Ultraljudmodul 23 enligt detektionsresultatet.

4.1.1 S ¨andsekvens

En liten men dock betydande f¨ or¨ andring som gjordes sent (sista m˚ anaden) i utvecklings arbetet var f¨ or¨ andringen i klockfrekvensen f¨ or mikrokontrollern. N¨ ar allt fungerade som det skulle ville uppdragsgivaren halvera klockfrekvensen, fr˚ an 8 M Hz till 4 M Hz (se kapi- tel 3.3.3). Denna f¨ or¨ andring p˚ averkade i allra h¨ ogsta grad funktionen p˚ a n¨ arvarodetektorn.

Det mest kritiska momentet var att s¨ anda fyrkantv˚ agen med 40 kHz, med den mjukvara som var utvecklad n˚ addes endast en frekvens p˚ a 30 kHz. Optimeringen av mjukvaran f¨ or att n˚ a upp till resonansfrekvensen var mycket intressant. Bl.a. kan n¨ amnas att variabler gjordes om fr˚ an word (16bitar) till byte (8bitar), i en 8-bitars mikrokontroller beh¨ ovs fler klockcykler f¨ or att lagra ett word. R¨ aknare flyttades och kodrader skrevs om f¨ or att allt skulle g˚ a lite fortare och till sist n˚ addes r¨ att resonansfrekvens.

H-bryggan i figur 3.1, vars uppgift ¨ ar att f¨ orst¨ arka den i mikrokontrollern genererade fyrkantsp¨ anningen, styrs med port P IN C0 − P IN C3. Anledningen till att fyra portar anv¨ ands ¨ ar att det ger m¨ ojlighet till individuell styrning av varje transistor i H-bryggan.

N¨ ar s¨ andsekvensen ¨ ar avslutad efter 8 perioder st¨ angs de tv˚ a ¨ ovre transistorerna (Q

och Q

) medan de tv˚ a nedre (Q

och Q

) fortfarande ¨ ar p˚ a f¨ or att jorda ner sensorn.

Jordningen ¨ ar n¨ odv¨ andig f¨ or att efterringningen i sensorn skall minimeras.

F¨ or excitering av sp¨ anningssekvensen anv¨ ands Timer0 i mikrokontrollern, den initieras f¨ or att generera en fyrkantssp¨ anning med frekvensen 40 kHz. Vid detektionsperiodens b¨ orjan s¨ ands en sekvens med ˚ atta pulser, samtidigt nollst¨ alls en annan timer f¨ or att m¨ ata tiden till en eventuell eko-signal. Efter att sp¨ anningssekvensen genererats avak- tiveras modulen i 2 ms (t

), d˚ a detekterar IR-modulen om r¨ orelse f¨ orekommer, f¨ or att den uts¨ anda ljudsekvensen skall hinna l¨ amna modulen och inte direkt uppfattas som en reflektion. Denna avaktivering ¨ ar inget problem i detta examensarbete d˚ a m¨ atomr˚ adet

¨ ar specificerat att detektera avst˚ and l¨ angre ¨ an 0.5 m (l

). Minsta avst˚ andet medf¨ or t

= 2 · l

c

= 2 · 0.5

340 = 2.94 ms ≈ 3 ms. (4.1)

och motsvarande l¨ angsta avst˚ andet t

= 2 · l

c

= 2 · 4

340 = 23.53 ms ≈ 24 ms. (4.2)

d¨ ar l

och l

m˚ aste multipliceras med tv˚ a d˚ a flykttiden f¨ or ljudsekvensen m¨ ats dels till

objektet och sedan tillbaka till mottagaren. Efter eventuell mottagen reflektion divideras

4.2. IR-modul 24 den uppm¨ atta flykttiden med tv˚ a f¨ or att kunna ber¨ akna r¨ att avst˚ and, enligt ekvation (4.3).

l

= t

· c

2 . (4.3)

F¨ or en uppm¨ att flykttid mellan t

och t

ber¨ aknas avst˚ andet till objektet. Enligt kravspecifikationen best¨ ams avst˚ andet av ett medelv¨ arde p˚ a de fyra, vilket i slutversio- nen ¨ andrats till ˚ atta, sist uppm¨ atta avst˚ anden. Medelv¨ ardet konverteras till motsvarande sp¨ anning, enligt beskrivning i inledningen av detta kapitel, och s¨ ands sedan vidare till styrenheten. Om t

(24 ms) ¨ overskrids ¨ ar inget objekt detekterat inom 4m, ultraljud- modulen avaktiveras d˚ a tills n¨ asta ljudsekvens s¨ ands (efter 101 ms). IR-modulen ¨ ar aktiv hela tiden och detekterar under denna tid eventuella r¨ orelser i avk¨ anningsomr˚ adet.

4.1.2 Mottagarsekvens

F¨ oruts¨ attningen f¨ or att en reflektion skall resultera i en avst˚ andsber¨ akning ¨ ar att ett objekt befinner sig p˚ a detektionsavst˚ and (l

–l

) inom avk¨ anningsomr˚ adet. Motta- garl¨ age f¨ or detekteringen aktiveras efter att ljudsekvensen har s¨ ants och att t

har passerats. Mikrokontrollern v¨ antar d¨ arefter p˚ a ett externt interrupt som en bekr¨ aftelse p˚ a att en reflektion erh˚ allits. N¨ ar ett eventuellt interrupt genereras stoppas timern som startade n¨ ar sp¨ anningssekvensen genererades. Ett interrupt utg¨ ors av att en stigande (0–

5 V) flank erh˚ alls p˚ a mikrokontrollerporten (P IN D2). F¨ or att vara s¨ aker p˚ a att det ¨ ar den uts¨ anda ljudsekvensen som detekterats av sensorn triggas tre p˚ a varandra kommande flanker. Tre interrupt genereras i t¨ at f¨ oljd och m˚ aste ligga p˚ a frekvensen f

, vid annan frekvens ignoreras reflektionen. L¨ angden p˚ a den mottagna sekvensen ¨ ar alltid l¨ angre ¨ an l¨ angden p˚ a den uts¨ anda sekvensen. Detta p.g.a. sidoreflektioner som tar l¨ angre tid att n˚ a tillbaka till modulen.

4.2 IR-modul

En av portarna initierades till ing˚ ang i mikrokontrollern och anv¨ ands f¨ or att ta emot ett

externt interrupt fr˚ an IR-modulen. N¨ ar detta interrupt erh˚ alls betyder det att r¨ orelse

f¨ orekommer inom avk¨ anningsomr˚ adet. Vid r¨ orelse s¨ ander IR-modulen en h¨ og (5 V) sig-

nal som ligger kvar p˚ a denna niv˚ a 200 ms och g˚ ar d¨ arefter ner till l˚ agniv˚ a igen. Inter-

ruptet genereras p˚ a den stigande flanken av denna signal, det kr¨ avs tre interrupt inom en

sekund f¨ or att bekr¨ afta r¨ orelse. N¨ ar tre interrupt erh˚ allits skickar mikrokontrollern sig- nal p˚ a r¨ orelse till styrenheten. Styrenheten har i sin tur m¨ ojlighet att reglera den aktiva f¨ ordr¨ ojningen f¨ or luftfl¨ odesregleringen, f¨ ordr¨ ojningar mellan 5 sekunder och fem minuter

¨ ar m¨ ojliga att v¨ alja.

4.3 Komplett n ¨arvarodetektor

De tv˚ a olika modulerna detekterar parallellt om n˚ agot objekt finns inom avk¨ anningsomr˚ a-

det. Om r¨ orelse f¨ orekommer s¨ ands +5 V till styrenheten i annat fall detekteras avst˚ andet

och s¨ ands i form av en sp¨ anning till samma enhet. I styrenheten avg¨ ors om normal- eller

ekonomil¨ age skall intas. Vid r¨ orelse ¨ ar alltid normall¨ age aktivt medan en avst˚ andsm¨ atning

f¨ orst st¨ alls mot ett p˚ a f¨ orhand best¨ amt v¨ arde f¨ or att avg¨ ora om en person finns i

avk¨ anningsomr˚ adet.

K APITEL 5 Utveckling av m ¨ onsterkort

Lule˚ a tekniska universitet tillhandah˚ aller utvecklingsverktyget Orcad 10.0, utvecklat av Cadence, till dem som studerar p˚ a universitetet. Orcad Capture, PSpice och Layout har anv¨ ants flitigt under hela examensarbetet. Det verktyg som anv¨ ants mest ¨ ar Orcad PSpice som anv¨ ands f¨ or simulering av olika kretsscheman och komponenter. Simuleringen ger en mycket bra approximation som bygger p˚ a ber¨ akningar av kretsens specifika karakt¨ aristik.

Tidsbesparingen p˚ a att kunna simulera ett kretsschema f¨ ore praktisk uppkoppling ¨ ar sv˚ ar att precisera, den framst˚ ar dock som ov¨ arderlig och mycket stor. Som en parallell till detta kan n¨ amnas att Eluw Electronic AB idag inte anv¨ ander sig av simulering vid utveckling av sina produkter, n˚ agot som st¨ aller stora krav p˚ a personalens kunskap och erfarenhet.

5.1 Kretsschema med Orcad Capture

Orcad Capture, anv¨ ands till att rita kretsschemat med de aktuella komponenterna.

Kretsschemat utg¨ or grunden f¨ or b˚ ade simulering i PSpice och f¨ or m¨ onsterkortsdesign i Layout. I Capture finns ett antal tusen komponenter att v¨ alja mellan. Det f¨ orekommer dock att dessa komponenter ¨ and˚ a inte r¨ acker till, komponentens karakt¨ aristik kan i vissa fall avvika f¨ or mycket mot originalet f¨ or att ge en realistisk approximation vid simuler- ing. M˚ anga komponenttillverkare tillhandah˚ aller d¨ arf¨ or f¨ ardiga filer som beskriver kom- ponentens karakt¨ aristik, dessa filer kan relativt enkelt kopplas till Orcad f¨ or en realistisk simulering. I bilaga E ¨ ar kretsschemat f¨ or den kompletta n¨ arvarodetektorn ritat. I kapitel 3 beskrivs de olika modulerna och dess h˚ ardvara mer i detalj.

26

5.2. Simulering med Orcad PSpice 27

5.2 Simulering med Orcad PSpice

N¨ ar kretsschema f¨ or de olika delarna i n¨ arvarodetektorn konstruerats utnyttjades de f¨ or att simulera och f˚ a en approximation av hur det skulle fungera vid den praktiska upp- kopplingen. Den del som inneh˚ aller mikrokontrollern ¨ ar dock inte m¨ ojlig att simulera d˚ a mjukvaran som utvecklats inte kan placeras in i kretsschemat. IR-modulen simuleras inte heller d˚ a det bara ¨ ar en signal som sl˚ ar mellan tv˚ a niv˚ aer, l˚ ag och h¨ og. Ultraljudmodulen d¨ aremot l¨ ampar sig v¨ al f¨ or simulering.

5.2.1 S ¨andare ultraljudmodul

Simuleringen av s¨ anddelen i ultraljudmodulen ¨ ar relativt enkel d˚ a kretsen inte best˚ ar av s˚ a m˚ anga komponenter. Figur 3.1 beskriver kretsschemat f¨ or s¨ anddelen, d¨ ar kommer insignalen fr˚ an en pulsgenerator (V-pulse i Orcad), denna pulsgenerator representer- ar i praktiken mikrokontrollern. Pulsgeneratorn (mikrokontrollern) exciterar en 40 kHz fyrkantsp¨ anning som skickas till ing˚ angarna p˚ a de fyra ing˚ angstransistorerna. Tran- sistor Q1 och Q6 drivs med en fyrkantsp¨ anning och Q4 och Q5 drivs med inversen

Time

0s 5us 10us 15us 20us 25us 30us 35us 40us 45us 50us

V(Sändare:1,Sändare:2) V(puls) -20V

-10V 0V 10V 20V

V_mikrokontroller V_sensor

Figur 5.1: Simulering av s¨ andare.

5.2. Simulering med Orcad PSpice 28 av denna sp¨ anning. Figur 5.1 visar hur fyrkantsp¨ anningen f¨ orst¨ arks genom H-bryggan.

5 V fyrkantsp¨ anningen (V

) i figuren ¨ ar genererad i mikrokontrollern och visar drivsp¨ anningen f¨ or en del av H-bryggan. Den andra fyrkantsp¨ anningen (±20 V, V

)¨ ar den som driver sensorn i ultraljudmodulen. Vid simuleringstillf¨ allet har en dif- ferenssp¨ anning prob kopplats p˚ a varsit ben p˚ a sensorn. Simuleringen visar tydligt hur tv˚ a positiva drivsp¨ anningar virtuellt ses som den ¨ onskade ±20 V sp¨ anningen.

5.2.2 Mottagare ultraljudmodul

Mottagardelen best˚ ar i stora drag av ett bandpassfilter, resonansfrekvens 40KHz, en inverterande f¨ orst¨ arkare, 100ggr f¨ orst¨ arkning, och en avslutande Schmittrigger. Kon- struktionen av mottagardelen beskrivs ing˚ aende i kapitel 3.1.2. I figur 5.2 ˚ aterspeglas simuleringen av den kompletta mottagaren. En reflektion motsvaras i simuleringen av si- nussp¨ anningen (V

) med l˚ ag amplitud och reflektionen efter mottagaren ¨ ar den sp¨ anning (V

) som varierar mellan 0 och 5 V. Denna simulering ¨ ar dock inte n˚ agon bra beskrivning av vad som h¨ ander med en mottagen reflektion vid sensorn och reflektionens v¨ ag genom mottagaren till mikrokontrollern. Ett antal delsimuleringar d¨ ar mottagaren delas in i tre delar ¨ ar betydligt mer l¨ att¨ oversk˚ adligt och demonstrativt, de tre separata simuleringarna f¨ oljer nedan.

Time

0s 10us 20us 30us 40us 50us 60us 70us 80us 90us 100us

V(R21:1) V(U8B:OUT) 0V

2.0V 4.0V

-0.5V 5.5V

V_ut_mottagare

V_in_mottagare

Figur 5.2: Simulering av mottagare.

5.2. Simulering med Orcad PSpice 29 Som det framg˚ ar av simuleringsfigurerna nedan s˚ a ¨ ar op-f¨ orst¨ arkaren ofta bottnad, en bottnad op-f¨ orst¨ arkare ¨ ar inte alltid ¨ onskv¨ art men i detta examensarbete ¨ ar det dock ingen nackdel, snarare en f¨ ordel. Det som beh¨ ovs ¨ ar en detektion av en reflektion med en viss resonansfrekvens, hur reflektionen ser ut ¨ ar av underordnad betydelse. Bottningen beror p˚ a en h¨ og f¨ orst¨ arkning i mottagaren. H¨ og f¨ orst¨ arkning ¨ ar ett m˚ aste n¨ ar reflektionen

¨ ar svag, vilket ofta ¨ ar fallet vid l¨ angre detektionsavst˚ and.

5.2.2.1 Bandpassfilter 40 kHz

Bandpassfiltret ¨ ar fyr-poligt med multipel˚ aterkoppling f¨ or att minimera komponenter- nas p˚ averkan av resonansfrekvensen. Vid filterkonstruktion m˚ aste komponenter (resistor- er och kondensatorer) v¨ aljas med omsorg. Toleransernas storlek har stor betydelse och m˚ aste tas med i ber¨ akningarna fr˚ an b¨ orjan. Teoretiskt kan alla komponentv¨ arden s¨ attas nominellt men det st¨ ammer aldrig s˚ a bra i verkligheten. En utf¨ orlig ber¨ akning av kom- ponenterna finns i bilaga B. Simuleringen av bandpassfiltret ses i figur 5.3, h¨ ar anv¨ andes simuleringsmetoden Monte Carlo d¨ ar respektive komponents nominella v¨ arde tillsam- mans med dess tolerans angavs. Ett antal simuleringar med olika komponentv¨ arden, inom respektive toleranserna, sker d˚ a automatisk i samma utskrift. Detta skildrar p˚ a ett bra s¨ att hur mycket resonansfrekvensen f¨ or filtret kan variera vid produktion. Simulerin- gen visar ocks˚ a att toleransspridningen p˚ a de valda komponenterna p˚ averkar resonans-

Frequency

1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz 300KHz 1.0MHz

V(V_ut) 0V

0.5V 1.0V 1.5V 2.0V 2.5V

(41.210K,2.0175) (38.019K,2.0267)

(38.905K,2.2494)

Figur 5.3: Simulering av bandpassfilter.

5.2. Simulering med Orcad PSpice 30 frekvensen p˚ a ett marginellt s¨ att, komponenterna passar d¨ arf¨ or utm¨ arkt till serieproduk- tion.

Toleranserna f¨ or de betydande komponenterna ¨ ar f¨ or motst˚ and, R±1 % och kondensator- er, C±10 %. Simuleringen i figur 5.3 visar spridningen p˚ a resonansfrekvensen beroende av toleranserna p˚ a ett tydligt och bra s¨ att.

5.2.2.2 F ¨ orst ¨arkare

F¨ or att s¨ akerst¨ alla bra omslag till den avslutande Schmittriggern placerades en inverter- ande f¨ orst¨ arkare mellan filtret och Schmittriggern. Den inkommande signalen, V

(ut fr˚ an filtret), f¨ orst¨ arks 100ggr och resultatet visas i figur 5.4. F¨ orst¨ arkarsteget i mottagaren ¨ ar f¨ or funktionens skull inte alltid n¨ odv¨ andigt, men steget beh¨ ovs d˚ a reflektionen ¨ ar s˚ a svag att den inte r¨ acker f¨ or att f˚ a den avslutande Schmittriggern att v¨ axla niv˚ a.

Time

0s 10us 20us 30us 40us 50us 60us 70us 80us 90us 100us

V(eko_pul) V(R11:2) -2.0V

0V 2.0V 4.0V 6.0V

V_ut

V_in

Figur 5.4: Simulering av f¨ orst¨ arkare.

5.2. Simulering med Orcad PSpice 31 5.2.2.3 Schmittrigger vippa

Den vitala delen i mottagaren ¨ ar den avslutande Schmittrigger-vippan. Vippan ¨ ar kop- plad till mikrokontrollern (PIND2, INT0)och sl˚ ar mellan 0 och 5 V om en reflektion mottagits. Mikrokontrollern tar emot pulserna via tre p˚ a varandra f¨ oljande externa in- terrupt. Om r¨ att resonansfrekvens bekr¨ aftas s˚ a skall en avst˚ andsber¨ akning utf¨ oras. En simulering av Schmittrigger-vippans funktion visas i figur 5.5. Sinussp¨ anningen kommer fr˚ an f¨ orst¨ arkaren och sp¨ anningen triggar vippan att v¨ axla p˚ a vissa givna sp¨ anningsniv˚ aer, ber¨ aknade enligt bilaga D d¨ ar ses ¨ aven kretsschemat. Niv˚ aerna i bilagan ¨ ar ber¨ aknade enligt en vanlig vippa som v¨ axlar symetriskt runt jordpunkten. I mottagaren finns dock inga negativa sp¨ anningar, vilket ¨ ar en f¨ oruts¨ attning f¨ or ovanst˚ aende. Op-f¨ orst¨ arkarna har matningssp¨ anning 0-5 V vilket medf¨ or att en virtuell jordpunkt m˚ aste skapas. De tv˚ a motst˚ anden , R1 och R2 i bilaga D, skapar en virtuell jordpunkt p˚ a ungef¨ ar 2,5 V. Jord- punkten inneb¨ ar att de ber¨ aknade omslagsniv˚ aerna enligt bilagan m˚ aste flyttas upp lika mycket. I simuleringen framg˚ ar b˚ ade den ¨ ovre och undre omslagpunkten ( V

tp, V

tp) och V

= 0.45 V st¨ ammer bra med de ber¨ aknade v¨ ardena.

Time

0s 10us 20us 30us 40us 50us 60us 70us 80us 90us 100us

V(R19:2) V(U7A:OUT) 0V

2.0V 4.0V

-0.5V 5.5V

(25.965u,2.1179) 12.983u,2.6517)

Figur 5.5: Simulering av schmittrigger.

5.3. M¨ onsterkortutveckling med Orcad Layout 32

5.3 M ¨ onsterkortutveckling med Orcad Layout

N¨ ar Orcad Layout b¨ orjar anv¨ andas har projektet kommit till en fas n¨ ar det mesta har fallit p˚ a plats. De flesta ber¨ akningarna och simuleringarna ¨ ar gjorda och kretsarna har kopplats upp och verifierats till att st¨ amma med de ber¨ aknade och simulerade v¨ ardena.

Under examensarbetets g˚ ang har ett antal m¨ onsterkort utvecklats och etsats p˚ a uni- versitetet. Detta gjordes f¨ or att verifiera att respektive del fungerade tillfredst¨ allande innan den kompletta konstruktionen. N¨ ar samtliga moduler fungerade designades ett m¨ onsterkort f¨ or hela n¨ arvarodetektorn.

De tre olika modulerna, IR, ultraljud och mikrokontroller ritades upp i ett gemensamt kretsschema och med detta som grund genererades en fil som anv¨ ands i Layout f¨ or att designa m¨ onsterkortet. Vid designen har stor h¨ ansyn tagits till komponentplacering och ledningsdragning.

S¨ anddelen i ultraljudmodulen best˚ ar av ett antal resistorer och transistorer som ¨ ar en direkt l¨ ank mellan mikrokontrollern och den sensor som s¨ ander ultraljudsekvensen.

S¨ anddelen tar liten plats p˚ a m¨ onsterkortet.

Mottagaren i ultraljudmodulen ¨ ar kort sagt fyra seriekopplade op-f¨ orst¨ arkare konfigur- erade p˚ a olika s¨ att. En m¨ angd motst˚ and och kondensatorer i mottagaren g¨ or att en betydande yta av m¨ onsterkortet g˚ ar ˚ at. Mottagaren ¨ ar ¨ aven den en direkt l¨ ank mellan mikrokontrollern och sensorn.

Mikrokontrollern ¨ ar den komponent som kr¨ aver st¨ orst yta p˚ a m¨ onsterkortet, sp¨ anningsreg- ulatorn, sp¨ anningsf¨ oljaren och resetkretsen tillh¨ or mikrokontrollern.

IR-modulen kr¨ aver endast en avkopplingskondensator och ett jord (pull down) motst˚ and och l¨ ods via en kabel direkt in p˚ a m¨ onsterkortet. Obetydligt med utrymme kr¨ avs f¨ or modulen.

5.4 Fabrikstillverkat m ¨ onsterkort

N¨ ar det kompletta m¨ onsterkortet var etsat, komponenterna placerats och hela n¨ arvaro-

detektorn konstaterats fungera var gl¨ adjen stor. Ett litet problem som uppstod var dock

att Eluw Electronic AB anv¨ ander ett program som heter P-CAD f¨ or att designa sina

m¨ onsterkort, Layouten var nu gjord i Cadence. Ett fabrikstillverkat m¨ onsterkort hade

g˚ att bra att best¨ alla med den gerber-fil som genereras i Cadence. Problemet blir d˚ a att

i framtiden kunna ¨ andra n˚ agot, vilket troligen blir aktuellt, p˚ a m¨ onsterkortet. D¨ arf¨ or

gjordes hela layouten om p˚ a nytt i P-CAD. Det nyskapade m¨ onsterkortet blev mycket

mer genomt¨ ankt och optimerat. Den tid det tog att l¨ ara sig det nya programmet anses

v¨ al spenderad. Bilder p˚ a m¨ onsterkortet ses i kapitel 6.